탄소 Nanotube 세계에 있는 진도 그리고 관점

교수에 의하여 Morinobu Endo

, 능력 탄소 과학 & 기술 내향 의의 교수 Morinobu Shinshu 대학, 일본 기술설계 및 학회
대응 저자: endo@endomoribu.shinshu-u.ac.jp

_내내 마지막 십년간, 나노 과학은 세계의 존재하 및 나오 문제 의 많은 것 novel 새로운 해결책 를 위한 potential 잠재 근원 로 가지고 있 제비를 의 사회 에게서 내의 에 주목 받. 간단히 말해서, 나노 과학은 잘 원자와 분자 가늠자에 복잡한 해결책을 이해하고 디자인하는 기능을 제공할 수 있었습니다. 매력적인 나노 과학 관련된 nanomaterial는 1차원적인 탄소 nanotubes 것 여겨집니다 (CNT).

기하학적으로, CNT는 긴 빈 tubule로 graphene의 장을 굴러서 구상될 수 있습니다. 이 물자의 유일한 윤곽은 우수한 물리 화학적인 속성을 나누어 줍니다1. 예를 들면, CNT의 Young 계수는 그들의 장력 강도는 강철의 100 시간인 그러나, 다른 어떤 물자 보다는 더 뻣뻣합니다. 극대 전류 조밀도는 구리 철사와 운반자 이동도 더 중대합니다 수많은 응용에 있는 Ca. 105 cm/Vs. CNTs2 쇼 중대한 약속이 가까운 장래에 이고 CNT의2 우수한 속성이 상업적인 유효한 제품에 있는 그들의 사용 이미 귀착되었다 100 시간.

현재, CNTs의 총계는 상업적으로 세계적으로 도달한 Ca. 1,000 톤/년을 일으켰습니다. 이 특집기사에서는, CNTs의 기본적인 구조물은 간단히 기술됩니다, 뿐 아니라 대규모 생산에 있는 최신 어드밴스는 CNTs의 독물학 문제점에 특별 강조로, nanotubes의 기존 상업적인 용도 검토됩니다.

탄소 Nanotube는 무엇입니까?

CNT는 graphene (sp2 탄소 벌집 격자)의 회전 장으로 나노미터 규모 직경 ((a) FIG. 1)의 실린더로 구상될 수 있습니다. CNT의 구조물은 고해상도 전송 전자 현미경 검사법 ((b) FIG. 1)를 가진 년초에서 탐구되고3, nanotubes가 크리스탈 흑연의 원자 층을 나타내는 벌집 격자에서 파생된 이음새가 없는 nanoscale tubules이다는 것을, graphene 장으로 그렇지 않으면 불려 제시합니다 장악된 결과는. nanotubes의 곡율은 완곡한 방향에 있는 힘상수가 nanotube 축선에 따라서 경미하게 더 약하다 그래야 소량의 sp3 접합을 통합합니다.

숫자 1. (a) CNT는 graphene (sp2 탄소 벌집 격자)의 장을 굴러서 나노미터 규모 직경의 실린더로 구상될 수 있었습니다. (b) CNT의 구조물은 고해상도 전송 전자 현미경 검사법에 의해 일찍부터 탐구되었습니다.

단 하나 벽으로 막히기 탄소 nanotube nanotubes의 주기성을 기술하기 위하여 약간 파동 벡터만 필요하다 (SWNT)에는 두껍게 단지 1개의 원자만이고기 그것의 경계선의 주위에 소수 원자가 있기 때문에. 이 제한은 평면파 움직임이 광선과 완곡한 방향에 있는 파동 함수의 양 금고로, 많은 수 또는 바싹 간격을 둔 허용한 파동 벡터에 일치하는 nanotube 축선에 따라서서만 일어나는 상태에서 이끌어 냅니다.

탄소 nanotubes는 금속 semiconducting 이골, 마찬가지로 다중 벽 nanotubes 단 하나 벽 nanotube 뭉치의 개별적인 성분은 금속 semiconducting 일 수 있습니다4. 이 현저한 전자 속성은 완곡한 방향에 있는 양 금고의 제한의 밑에 제 2 흑연의 전자 구조에서 따릅니다.

전형적으로 직경 보다 적게 보다는 약 100 nm가 있는 다중 벽으로 막힌 탄소 nanotubes (MWNTs 비록 다중 층의 개별적인 쉘이 완벽한 graphene5장으로 이루어져 있더라도,)에는의 경우에, 아무 석묵도 3차원에게 겹쳐 쌓이는 것은 설치됩니다. 더구나, 각 관에는 흑연에서 있다 보다는 더 큰 간 쉘 간격에 기여할지도 모른 다른 독립적인 chirality가 있습니다. 단 하나의와 다중 벽으로 막힌 CNTs의 이 독특한 구조물은 황홀케 하 전자, 화학, 기계, 그리고 열 속성을 가진 유일한 1차원적인 물자이다는 것을 표시합니다.

탄소 Nanotubes의 산업 가늠자 생산

지금까지, CNTs 생성을 위한 각종 합성 방법은 보고되었습니다 (예를들면, 아크 방전, 레이저 증발 및 촉매 화학 수증기 공술서 (CVD)). 지배적인 최근 동향은 CVD 접근을 사용하여 CNTs를 이 기술이 SWNTs와 MWNTs 둘 다의 대규모 생산을 위해 매우 유용하기 때문에 종합하기 위한 것입니다. 3동시에 반응 약실로 탄화수소와 nanoscale를 가스 단계에 있는 촉매 입자는 공급해서, CNTs 크게 보면 종합되었습니다. 6

반응기에 있는 증가 SWNTs 그리고 MWNTs는 제시되고 이것은 6각형 sp2 탄소의 조직적인 tubule의 입자에 의하여 nano 치수가 재진 금속 입자의 표면 및 지속적인 산출에 탄화수소의 촉매 공술서를 관련시킵니다3,6. 이 가정의 강력한 증거는 관 (FIG. 2 (A.c.))의 끝에 촉매 입자의 존재 (상단 또는 루트)입니다. SWNTs의 대규모 생산의 경우에, 고압적인 일산화탄소 프로세스의 발달은 SWNTs의 과학적인 연구 결과 그리고 응용에 기세를 주었습니다7.

숫자 2.는 관의 끝에 촉매 입자의 존재를 보여줍니다.

산업 응용을 위한 MWNTs의 대량 생산에 대하여, 1980년 말에, Ltd Showa-Denko Co.가와 Hyperion Catalysis International, Inc. (케임브리지, MA) 매년 촉매로 증가한 CNTs의 몇몇 톤의 생산을 시작했다는 것을 언급하는 것이 중요합니다. 현재, 전세계 상업적으로 이용 가능한 MWNTs의 총계는 1,000 톤/년을 도달했습니다. 2015에 있는 글로벌 탄소 nanotube 수익이 US$500 백만을 도달할 것이라는 점을 것으로 예상됩니다8. 가장 흥미로운 점은 모든 회사가 MWNTs의 대규모 생산을 촉매 CVD 방법을 선정했다 입니다.

탄소 Nanotubes의 응용

그들의 작은 차원 및 우수한 물리 화학적인 속성, CNTs 때문에 넓은 채용 범위를 위해 제시되었습니다. 몇몇은의 CNT의 잠재적인 응용 다기능 합성물, 전기화학 전극 및 또는 난수, 필드 이미터 뿐 아니라 nano 치수가 재진 반도체 소자 포함합니다2. CNTs는 또한 리튬 이온 이차 전지의 양극과 음극선 둘 다 물자에 있는 충전물로 사용됩니다9,10.

MWNTs는 스캐닝 탐사기 현미경 끝으로 고해상도 심상을 장악하기 위하여 이용될 수 있고 가까운 장래에, 얇은 MWNTs는 편평하 위원회 전시를 위해 전계 방출 전자 근원으로 사용될 것입니다. 화학적으로 functionalized MWNTs는 또한 표면 여러가지 상호 작용하 화학과 생물학 단을 위한 높은 느끼는 능력을 줍니다.

추가적으로, CNTs는 중합체 합성물에 있는 충전물을 위한 이상적인 후보자입니다. 가장 작은 작동되는 합성 기어는 녹은 나일론으로 nanotubes를 섞고 작은 형으로 그 후에 주사해서 준비되었습니다. 이 피스는 높은 기계적인 병력, 높은 마모 저항 및 또한 좋은 전기 및 열 전도도를 전시합니다. 추가 진도는 완전히 nanotube/중합체 합성물, 효과적인 줄맞춤 방법 (또한 평가 방법)의 예를 들면 지상 속성의 최적화, 균질 분산 물리적인 손상 없이 이, 발달과 가공을을 이용하기 위하여 실행되어야 합니다.

고열과 압력 저항 가능한 최고 고무 실란트는 탄소 과학 & 기술의 학회에 교수에 의해 Morinobu Endo와 그의 동료 성공적으로 날조되었습니다. 이것은 고무로 표면 변경한 nanotubes를 통합해서 행해졌습니다11. 우리의 예측에 그리고 석유 자원의 깊이 그리고 온도를 조사한 후에 기지를 두어, 압력의 239 MPa 이하 260°C 저항 현재 35%에서 기름 복구 효율성에 있는 혁명적인 증진에 이전에 접근하기 어려운 예금을 굴착해서 가능할 것이 최고 고무 기술의 발달은에 70% 기여할 것입니다.

CNT의 또 다른 잠재적인 응용은 인공적인 근육에서 사용된 최고 축전기와 전기화학 액추에이터의 제작에 있습니다. Nanotube 액추에이터는 350°C. 처럼 낮은 전압 및 고온에서 작동할 수 있습니다. 지금, 최고 축전기는 잡종 차량으로 급속한 가속도를 제공하고 끊기 에너지를 전기로 저장하기 수 있기 때문에 통합됩니다.

nanowires로 CNTs 사용의 가능성은 그들의 관찰된 탄도 수송 상상된 때문이. nanotube 전계효과 트랜지스터의 제작을 위해, SWNTs는 금속 nano 전극에 연결되었습니다. 성과는 그들의 낮은 용량 때문에 스위칭 속도 식으로 우수합니다. CNT와 관련되었던 고유한 문제는 그(것)들 조작에 있는 어려움에서 속입니다. 상업적인 관점에서, 추가 기술 진도는 각자 집합 기술을 사용하여 nanotubes의 선택적인 성장과 같이 요구됩니다.

탄소 Nanotube Biocompatibility

다량 주의는 석면의 그것과 유사했던 그들의 nanoscale 차원 및 그들의 형태학상 특징 때문에 CNTs의 독성에 급여받았습니다12,13. 그러므로, CNT의 독물학 기록은 강하게 필요합니다 노동자에 있는 위험 그리고 직업적인 무질서를 방지하고 소비자 제품에 있는 그들의 안전 사용을 승진시키기 위하여. CNTs의 생물학 반응에 우리의 예비적인 연구 결과는 그들의 잠재적인 유독한 성격이 현저하게 낮다는 것을 표시합니다14,15. 그러나, 더 철저한 장기 인간적인 폐에 있는 관의 직접 포부와 같은 CNTs의 각종 모형의 유독한 본질을 결정하기 위하여 연구되어야 합니다.

전망

이 작고, 까말 것이 및 관 모형 nanomaterials 우리가 살고, 일하고 통신하는 쪽을 바꿀 것입니다. 많은 CNT 파생한 제품은 이미 사용 중 이고 그들의 생존 능력은 그들 상품화의 성공에 강하게 달려 있습니다.

성공으로 상업물에 있는 CNTs의 사용을 고려하기 전에, 적어도 4개의 장애는 단호해야 합니다:

   1. 금속 불순으로 높은 순수성 CNTs를 장악하는 방법 수시로 후에 유독한 속성을 초래할 수 있는 제작 프로세스 남아 있으십시오.
   2. 이 작은 물자를 조작하는 방법.
   3. CNT의 chirality를 통제하는 방법.
   4. 가장 중요하고 그러나 가장 중요한 "안전" 문제점은 장기와 체계적인 생물학 연구 결과에 기지를 두었습니다 명백하게 해야 합니다.

아카데미와 기업 둘 다에 있는 광대한 집중적인 노력은 이 장애에 해결책을 찾고 있습니다 그리고 일단 해결책이 도달되면, CNTs는 21 세기의 혁신적인 물자로 다수 공업 공정에 있는st 중요한 중요한 역할을 할 것입니다.

우리는 과학의 첫번째 산, 기술의 두번째 산 및 CNTs를 성공적으로 생성해서 경제의 제 3 의 산 저쪽에 크게 보면 적당한 가격에 도달했습니다 (FIG. 3). 지금 우리는 사회의 산을 오르는 것을 노력하고 있습니다. 모든 내깃돈 보관자로 CNTs의 위험 그리고 이득에 정보를 공유해서, 우리는 마지막으로 nanotube 산의 상단을 도달하고 CNT를 증명하는 것은 21 세기 동안 혁신적인 물자st 입니다.

나노 과학의 앞 가장자리로 숫자 3. 탄소 nanotube는 21 세기의 혁신 및 기본적인 기술로 4개의 산 저쪽에 가야st 합니다. 과학에 세계적인 협력은 성공을 위한 중요한 문제입니다.

수신 확인

이 일은 다발 (둘째 단계)와 MEXT 교부금 (19002007)에 의해, 일본 지원된 부분적에 있었습니다.


참고

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, 저작권 AZoNano.com Morinobu Endo (Shinshu 대학) 교수

Date Added: Jun 23, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:35

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